生物功能高分子材料的案例
天津大學仰大勇團隊綜述：生物功能電紡納米材料——從拓撲結構設計到生物應用
【引言】
生物功能高分子材料廣泛應用于生物醫學領域，其中靜電紡絲（縮寫為“e-spin”）是制備各種生物功能高分子材料最簡單、最直接的技術。與傳統的紡紗技術（如溶液紡絲和熔融紡絲）相比，e-spin使用靜電力來加工聚合物溶液并生產微米級或納米級的材料。e-spin不僅可用于制造納米纖維，還可制造具有多種拓撲結構的納米材料。超過一半的e-spin材料應用于生物醫學領域，包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學。本文重點介紹了電紡生物功能納米材料的拓撲結構設計和生物醫學應用的最新進展。
【成果簡介】
靜電紡絲是一種高度通用的技術，可將聚合物或相關材料加工成直徑范圍從微米到納米級的纖維材料。早期電紡材料主要是聚合物，形態主要是纖維。在過去的二十年中，科研人員在選材和形貌方面都取得了很多進展，制備了包括金屬、金屬氧化物、碳材料和有機/無機復合材料的靜電紡絲，以及制造了珠、管以及多級結構等纖維之外的更多形態。此外，還探索了多種有前景的應用，主要包括生物、能源、催化、環境和機械增強，其中一半以上專注于生物醫學應用。比如，設計電紡納米材料以模擬細胞外基質的結構特征，用于細胞生長和營養物轉運；封裝或附著有生物活性分子和藥物的電紡納米材料可用于遞送分子；由于高孔隙率和大比表面積，它們還可以用于醫學診斷以增強特異性、靈敏度和信號傳導能力。此外，電紡納米材料可以組裝成各種有趣的仿生結構。所有這些特點使得靜電紡絲成為制造生物功能納米材料的有力工具，用于涉及人類健康的一系列生物醫學應用，主要包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、診斷和仿生學。
展開 Biomacromolecules：富含巰基的多功能高分子交聯劑用于生物打印
高分子科技?會及時推送，并同時發布在中國聚合物網上。
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Mater.綜述: 多孔高分子–以解決重大需求為導向的多功能材料平臺
因而開發以解決重大需求為導向的新型材料對經濟和社會的可持續性發展具有非常重要的意義。納米材料的飛速發展表明孔隙率是決定材料性能的關鍵因素之一。多孔材料憑借其較大的表面積、開放的孔道結構和可調的孔環境，在很多領域都具有令人矚目的應用。多孔材料按照孔尺寸可分為三種類型：孔徑小于2 nm的微孔材料，2-50 nm的中孔材料，大于50 nm的大孔材料。多孔材料的孔骨架包括有機骨架（例如，多孔高分子、有機多孔分子籠和超分子有機框架）、無機骨架（例如，沸石、多孔炭和中孔二氧化硅）以及雜化骨架（例如，金屬有機框架）。
在諸多已發展的多孔材料中，多孔高分子由于兼具多孔材料和高分子材料的雙重優勢，因而獲得越來越多領域研究者的關注。多孔高分子與沸石、多孔炭和金屬有機框架等其它多孔材料一樣，也具有永久的高孔隙度、較大的表面積和可設計的孔道結構等特點。但是，它們在許多方面依然存在差異。多孔高分子最主要的優點是化學多樣性和易加工性。例如，相對于沸石和多孔炭，多孔高分子具有更為多樣的合成方式，并可按照設計思路進行合理調控。多孔高分子具有與金屬有機框架相類似的出色化學和物理可調性，還可通過直接功能化合成和后合成改性等方法簡便引入活性功能組分。得益于高分子自身的屬性，多孔高分子也具備了較好的延展性和可塑性，可以根據用途加工成各種形狀。此外，與對酸堿環境敏感的沸石材料以及由配位鍵連接的金屬有機框架相比，由共價鍵連接的多孔高分子具有較高的化學穩定性。
【成果簡介】
中山大學吳丁財教授課題組應邀在Adv.
展開 Mater.》國納中心聶廣軍：治療癌癥的多功能生物分子納米結構
【科研摘要】
基于生物分子的納米結構具有固有的多功能性，并具有多種生物活性，可用于癌癥納米醫學。可以精確地編程生物分子的超分子特性，以設計智能藥物傳遞載體，從而在單個設計中實現體內有效傳遞，靶向藥物傳遞和組合療法。最近，
國家納米科學中心
聶廣軍教授
團隊在《
Nature Reviews Materials
》上發表了題為
Multifunctional biomolecule nanostructures for cancer therapy
的綜述。團隊討論了
基于生物分子的納米結構，包括多糖，核酸，肽和蛋白質
，并著重介紹了其為
多功能納米藥物設計
的巨大空間。確定了可以通過基于
生物分子的納米結構解決的癌癥納米醫學中的關鍵挑戰
，并調查了基于生物分子的納米結構的
獨特生物活性
，
可編程性和體內行為
。最后，也討論了基于生物分子的
納米結構的合理設計，表征和制造中的挑戰
，并確定了需要克服的障礙才能實現臨床翻譯。
【主圖導讀】
圖
1：抗腫瘤多功能納米藥物中的功能元素。
圖
2：用于癌癥治療的基于核酸的納米結構。
圖
3：基于肽的多功能納米結構的發展。
參考文獻
：
http://doi.org/10.1038/s41578-021-00315-x
版權聲明
：「
高分子材料科學
」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
【往期回顧】
《J. Mater. Chem.
展開 
西北工業大學田威教授系統評述：超分子拓撲高分子的合成、組裝及功能
超分子聚合物是超分子科學和聚合物科學的交叉研究方向。與傳統的共價型聚合物不同，由非共價鍵作用（如：多重氫鍵、π-π堆積、金屬配位和主客體作用等）形成的超分子聚合物，具有動態可逆的本質和刺激響應性等物理化學性質。具有特定拓撲形態的超分子聚合物可稱為超分子拓撲高分子，其結合了非共價鍵的動態可逆特性和共價型拓撲高分子的結構特點與性質。超分子拓撲高分子的合成策略靈活多樣，不同構筑基元、拓撲結構和非共價鍵等可以呈現出不同的組合形式，極大地豐富了超分子聚合物的物種。超分子拓撲高分子還可以進一步自組裝形成不同形貌的聚集體，例如：膠束、囊泡、納米線、納米管和二維/三維結構等。由于動態可逆特性和特定功能基元的存在，超分子拓撲高分子自組裝體具有刺激響應等特性，因此有望在生物醫藥、光電器件和自修復材料等領域得到廣泛應用。
超分子拓撲高分子的研究方興未艾，建立新的理論機制和合成方法，發展組裝新結構和組裝新方法，實現其在特定應用領域的特有價值，仍然是本領域的重要發展方向和前沿研究課題。
西北工業大學田威教授課題組
應邀系統地評述了超分子拓撲高分子的最新進展。首先重點強調了利用直接或間接方法來構筑超支化、樹枝狀、星形、刷形、交聯型和環形等超分子拓撲高分子的策略，其次從內部結構參數和外部環境響應兩方面介紹了調控超分子自組裝行為的主要方法，然后對其在生物醫用材料、光電活性材料以及自修復材料等領域的潛在應用進行了較為全面的總結，最后指出了超分子拓撲高分子研究領域目前存在的關鍵問題和重要挑戰。
展開 Rev.》綜述：基于蛋白質生物材料的分子設計和人工生產
雖然這些先進的方法占據了蛋白質發現的中心舞臺，但仍然需要傳統的生化和分子生物學方法來識別調節蛋白質材料最終功能的重要分子特征，例如PTM或交聯化學。一旦獲得這些信息，再加上對序列-特性關系的深入了解，就可以將其轉化為通過DNA重組技術人工制造基于蛋白質的材料。
本節重點介紹了四種細胞外纖維和彈性蛋白材料，它們舉例說明了完全識別其端到端序列所需的廣泛時間線，即：(i)節肢彈性蛋白，(ii)彈性蛋白，(iii)絲素蛋白，和(iv)貽貝粘附蛋白（圖1）。
圖2 承載蛋白的時間軸
在21世紀初，下一代測序(NGS)方法是另一個技術飛躍，極大地促進了基因組和轉錄組的研究。在NGS技術中，RNA測序(RNA-seq)在加速仿生研究的分子發現方面產生了重大影響。
簡而言之，在最新發展中，mRNA是從特定組織或單個細胞中提取的，然后通過逆轉錄酶(RT)構建cDNA庫，然后片段化為 30-400 個堿基對長的小讀數（取決于特定的測序設備），在兩端添加通用適配器。或者可以在RT之前首先對分離的mRNA進行片段化，然后在高通量測序儀上對每個短cDNA讀數進行測序（圖3）。
圖3 獲得完整承重結構蛋白序列的總體方法
2. 天然蛋白質基材料的分子設計
作者在此部分重點描述了基于蛋白質的材料的基本分子設計，重點是序列/結構特性關系以及常見的生化和結構特征，所介紹的材料是根據它們的結構功能進行組織的，并說明了基于蛋白質的材料利用多肽處理的整個二級結構譜。
作者介紹的四種主要的蛋白質材料，分別是纖維材料（圖4）、具有高可逆變形能力的生物彈性體（圖5）、硬體材料（圖6）和生物粘合劑（圖7）。
展開 從高分子物理到合成生物學的金帆研究員：生命科學急需抽象的數學定理
來源：生輝SynBio
作者：鄭集楊
有這樣一位研究人員，他本科畢業于應用化學系，博士獲得的是高分子物理的學歷，而在 2011 年回國后，他卻轉而從事起了微生物學的相關研究，在此期間，他又得以
與合成生物學結緣
并于 2017 年正式投身到了合成生物學的研究之中。
從高分子物理到微生物再到合成生物學，這一擁有高度交叉學科背景的研究人員，便是來自于中科院深圳先進院合成生物學研究所的
金帆研究員
。
金帆研究員，2002 年 7 月畢業于中國科學技術大學應用化學系，2007 年獲得了香港中文大學高分子物理化學專業的理學博士學位，師從吳奇院士。在回國工作之前，其還分別在伊利諾伊斯州大學香檳分校和 UCLA 開展過博士后的研究。歸國后的2011-2019年，其先在中國科學技術大學擔任教授后于2019年加入到了合成所。
圖丨金帆博士（來源：受訪者提供）
從高分子物理跨向合成生物學，在兩門交叉學科之中進行轉變的過程，金帆切身感受到了這兩門學科在研究基礎框架上的顯著差異：
“高分子物理與生物學在研究上的最大區別，在于高分子物理有著一套
明確的基礎理論框架
，而這個在生物學中是沒有的。從基礎理論框架出發的研究結果是
理性的、可理解的
，而生物學科目前還在現象上疲于奔命。”
展開 GPC與APC：誰更適合于高分子材料分子量測試分析
高分子材料問世至今僅有一百多年的歷史，但其發展速度之快及應用范圍之廣，使它和鋼鐵、木材、水泥一起構成現代社會的四大基礎材料。與其它材料相比，高分子材料具有非常優良的成型加工性能和機械強度，這與其特殊的結構、分子量大小和分子量的差異程度（分子量分布）有著非常密切的關系。
因此，掌握平均分子量和分子量分布等信息，對于高分子材料的研究、開發、制備以及生產工藝管理和品質把控等方面至關重要。
PART 01
一、分子量測試常用設備
GPC也可稱為體積排阻色譜(SEC)，是一種用溶劑作流動相，多孔性填料或凝膠作為分離介質的柱色譜。接上不同的檢測器，GPC可以同時測定聚合物的各種相對分子質量及其分布。
超高效聚合物色譜儀（Advanced Polymer Chromatography，APC），在高分子化合物的分子量及分子量分布測定中具有顯著優勢，與傳統的凝膠色譜儀比較，提高了分離度，尤其在相對較小分子部分，獲得了更好的分離效果，可以得到較為準確的分子量和分子量分布，分析速度快，由于使用了小顆粒的凝膠色譜柱，分離速度大大提升，平均分析時間縮短了3~5倍。
展開 浙江大學顧臻《ACS Nano》可注射生物降解高分子復合物，遞送葡萄糖反應性胰島素
參考文獻：
doi.org/10.1021/acsnano.0c07291
版權聲明：「高分子材料科學」是由專業博士（后）創辦的公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
《先進功能材料》具有圖案陣列的超分子微膠囊
小 結
在本次工作中，作者通過一種簡單的方法，利用超分子自組裝（HBP-CB[8]與HEC-Np之間的主-客識別和靜電相互作用）制備了微陣列凝膠。有望在藥物傳遞，生物傳感，高通量分析等領域得到應用。
來源：高分子凝膠前沿進展
西南交大魯雄ACS APPL MATER INTER：導電超強水凝膠基于生物高物分子模板調控原位形成
【引言】
導電水凝膠由于其具有高含水量、超強、可拉伸等特性，可廣泛應用于人工肌肉、軟骨修復、電子皮膚、生物傳感器等領域。然而，由于導電高分子不溶于水，難以分散在水凝膠的聚合物網絡中；且生物相容性差。因此，制備具有良好機械性能、導電性和生物相容性、可以在生物醫學領域廣泛應用的導電水凝膠仍是一種挑戰。
【成果簡介】
針對以上問題西南交通大學魯雄教授課題組提出用生物高分子為模版控制導電高分子通路在水凝膠中原位形成的設計策略，采用生物相容性良好的殼聚糖與丙烯酰胺形成互穿網絡水凝膠。以殼聚糖為模版誘導導電高分子單體在水凝膠中的吸附，并原位氧化聚合，從而使得導電高分子在殼聚糖分子的纏結區形成導電納米棒，成功制備出兼具導電、超強、可拉伸、生物相容性好的導電水凝膠。研究結果表明，這種通過殼聚糖分子模版控制導電聚合物聚吡咯在水凝膠中原位形成的導電通路，賦予該水凝膠良好的導電性能（0.3 S/m）。此外，由于氧化劑鐵離子可以與殼聚糖分子配位形成鏈纏結，從而形成物理交聯的第二網絡，賦予改水凝膠超強的機械性能（斷裂能12000 J/m2，壓縮模量 136 MPa），遠超常見的導電水凝膠。該超強導電水凝膠可作為傳感器用于檢測人體生理信號和作為藥物控釋系統用于電刺激藥物可控釋放。
展開 
2020碳纖維材料展|復合材料展|高分子材料展
新型無機非金屬材料
先進陶瓷、特種玻璃、新型建筑材料、人工晶體、藍寶石、耐磨材料及設備等；
5. 高性能纖維及復合材料
高性能纖維及材料、碳纖維材料、樹脂基復合材料、碳/碳復合材料、金屬復合材料及設備等；
6. 先進高分子材料
聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚碳酸脂、功能彈性體材料、特種橡膠、工程塑料、硅材料、氟塑料、高性能氟硅材料、功能性膜材料及設備等；
7. 新能源材料
光催化能源材料、太陽能光伏材料、鋰離子電池材料、先進儲能材料、風電材料、新光源材料、油氣田先進材料及設備等；
8. 電子材料
介電材料、半導體材料、集成電路和光電器件材料、壓電與鐵電材料、熱電材料、導電金屬及其合金材料、磁性材料、光電子材料、電磁波屏蔽材料、多鐵材料、鐵電材料、非晶合金、氧化物存儲材料及設備等；
9.
展開 塑膠材料篇：高分子的結構，影響著材料的諸多性能
塑膠材料的種類繁多，性能各異，雖然常用的材料還不算太多，但是有些材料性能差異很大，有些則比較相似，如果我們光靠記憶各材料的性能來熟悉材料，顯然是比較低效的，特別是一些你不常使用的材料，即使當時你能記住它具體性能用途，但是估計也會很快忘記。所以，這個時候，理論、原理性的知識就顯得尤為重要，以下內容實際上在上學時我們都學過，只是當時很難去理解，現在回過頭來看，其實還是有些收獲的。
高分子鏈的結構，其實影響著高分子塑膠材料很多性能，如強度、剛度、沖擊強度等物理性能，有些材料分子結構式非常相似，但性能卻各異，比如這三種材料：PE、PS、PVC。
本文為啥把它們三放在一起舉例介紹呢，主要是他們名字太相似了，咋一看，一字之差，實際上它們的性能差別很大，它們都為五大通用塑膠之一，產量大，價格便宜，廣泛應用于日常產品上。
PE，學名稱為“聚乙烯”，是指由乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PS，學名稱為“聚苯乙烯”，是指由苯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PVC，學名稱為“聚氯乙烯”，是指由氯乙烯單體經自由基加聚反應合成的聚合物。
PE、PS和PVC的單體化學結構式如下，可以看出，結構式的主要區別是，PS中苯環取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子，而PVC中氯原子取代了PE（聚乙烯）中的一個氫原子。
所以也統稱聚乙烯類塑膠，其中把苯環、CI等稱為取代基（R），它們的聚合反應如下：
由于分子結構的不同，所表現出來的性能也會不同，從上面的結構式可以看出，PE的分子結構具有對稱性，而PS和PVC分子結構不對稱。
那么對稱或不對稱的分子鏈結構對聚合物的性能有什么影響呢？
展開 Sci.》綜述:層狀高分子刷設計及其生物醫學應用研究新進展
近日，中科院長春應化所殷敬華研究員、欒世方研究員課題組與內蒙古大學董阿力德爾圖教授合作，基于該課題組在醫用層狀高分子刷及相關領域中的前期研究積累（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6: 1971; Biomacromolecules, 2016, 17: 1696; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8: 24471; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9: 40930; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12: 425761），總結了近年來層狀高分子刷的最新研究進展，尤其在層狀高分子刷體系的創新設計、功能拓展、性能優化及其生物醫學應用方面進行了系統綜述與展望。
圖1. 層狀高分子刷的典型結構及優勢
高分子刷接枝是一類重要的表面改性技術。其中層狀高分子刷將不同性質接枝鏈段分布在不同空間層中，是一類具有層次化結構特征的獨特高分子刷體系。該綜述系統地比較了構建層狀高分子刷的可控活性聚合技術，評述了典型的雙層結構及其表征方法。層狀高分子刷呈現的精細結構及獨特的性能，可實現多功能的集成和協同、性能的提升以及刺激響應轉變等特點，在抗菌、生物傳感、再生醫學、腫瘤診斷和治療等生物醫學領域得到了重要應用。
圖2. 層狀高分子刷表面在生物醫用領域應用
為了快速拓展層狀高分子刷在生物醫用領域應用，該綜述最后強調應加強如下四個方面的研究工作。
展開 [醫用高分子材料]
醫用高分子材料
包括天然生物高分子材料和合成生物高分子材料。天然醫用高分子材料來源于自然，包括纖維素、甲殼素、透明質酸、膠原蛋白、明膠及海藻酸鈉等；合成醫用高分子材料是通過化學方法，人工合成的用于醫用的高分子材料，目前常用的有聚氨酯、硅橡膠、聚酯纖維、聚乙烯基吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯等。
材料性質
按照材料的性質，醫用高分子材料可分為非降解和可生物降解兩大類。其中非生物降解的材料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、硅橡膠、聚氨酯、聚醚醚酮等，其在生理環境中能夠長期保持穩定，不發生降解、交聯和物理磨損等，并具有良好的力學性能。該類材料主要用于人體軟、硬組織修復和制造人工器官、人造血管、接觸鏡和黏結劑等。
展開 